蘭州石化公司研究院地理信息研究所 王 瑜 劉西濤 王照星

北京則泰盛業(yè)科技發(fā)展有限公司 薛 勇

則泰三維技術(shù)應(yīng)用專欄

三維激光掃描技術(shù)在石化企業(yè)的應(yīng)用

蘭州石化公司研究院地理信息研究所 王 瑜 劉西濤 王照星

北京則泰盛業(yè)科技發(fā)展有限公司 薛 勇

一、概 述

三維激光掃描技術(shù)是20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始出現(xiàn)的一項(xiàng)高新技術(shù)，它通過(guò)高速激光掃描測(cè)量的方法，大面積、高分辨率地快速獲取被測(cè)對(duì)象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，大量地采集空間點(diǎn)位信息，快速獲得被測(cè)對(duì)象表面每個(gè)采樣點(diǎn)的空間立體坐標(biāo)。

與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的單點(diǎn)獲取方式不同，三維激光掃描儀是從水平到垂直的全自動(dòng)高精度步進(jìn)式掃描測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)不同站點(diǎn)的連續(xù)掃描，可以得到完整、全面的三維空間信息。這些信息不僅包含測(cè)量點(diǎn)的(X，Y，Z)坐標(biāo)信息，還包括RGB顏色信息，同時(shí)還有物體反射率的信息，這樣全面的信息能給人一種物體在電腦里真實(shí)再現(xiàn)的感覺(jué)，是一般測(cè)量手段無(wú)法做到的。

二、三維激光掃描技術(shù)原理與特點(diǎn)

三維激光掃描技術(shù)，是從復(fù)雜實(shí)體或?qū)嵕爸兄亟繕?biāo)的三維數(shù)據(jù)及模型。它通過(guò)激光掃描測(cè)量的方法，對(duì)目標(biāo)的整體或局部進(jìn)行高精度測(cè)量，以獲取目標(biāo)的線、面、體、空間等三維數(shù)據(jù)，而被測(cè)對(duì)象的采樣點(diǎn)(離散點(diǎn))集合，稱之為“距離影像”或“點(diǎn)云”。

三維激光掃描技術(shù)的主要特點(diǎn)有:

1)掃描速度快。三維激光掃描儀可以在短時(shí)間內(nèi)獲取空間目標(biāo)的三維信息，目前徠卡的HDS6200三維激光掃描儀掃描速度已達(dá)到1 016 727點(diǎn)/s。

2)精度高。三維激光掃描能以高精度的方式獲取目標(biāo)的表面特征，測(cè)距精度可達(dá)到±3 mm@ 50 m，如果進(jìn)行單點(diǎn)重復(fù)掃描甚至可以達(dá)到±1.4 mm @50 m。

3)非接觸測(cè)量。測(cè)量過(guò)程不用搭建腳手架，就可以很好地保護(hù)被測(cè)對(duì)象，并且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)危險(xiǎn)目標(biāo)、不可達(dá)目標(biāo)的測(cè)量。

4)直接生成三維空間結(jié)果。結(jié)果數(shù)據(jù)直觀，進(jìn)行空間三維坐標(biāo)測(cè)量的同時(shí)，就可獲取目標(biāo)表面的激光強(qiáng)度信號(hào)和真彩色信息，并可以直接在點(diǎn)云上獲取三維坐標(biāo)、距離、方位角等，且可應(yīng)用于其他三維設(shè)計(jì)軟件。

目前三維激光掃描儀包含兩種類型的產(chǎn)品:脈沖式與相位式。脈沖式掃描儀在掃描時(shí)由激光器發(fā)射出單點(diǎn)的激光，掃描儀記錄激光的回波信號(hào)，并通過(guò)計(jì)算激光的飛行時(shí)間，來(lái)計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)與掃描儀之間的距離。相位式掃描儀是發(fā)射出一束不間斷的整數(shù)波長(zhǎng)的激光，通過(guò)計(jì)算從物體反射回來(lái)的激光波的相位差，來(lái)計(jì)算和記錄目標(biāo)物體與掃描儀之間的距離。

三、石化企業(yè)三維數(shù)據(jù)采集特點(diǎn)

利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行石化企業(yè)的三維數(shù)據(jù)獲取，主要涉及三維激光掃描、點(diǎn)云拼接及三維模型建立等3個(gè)方面的技術(shù)研究與應(yīng)用。石化企業(yè)具有現(xiàn)場(chǎng)占地面積大、裝置高、設(shè)備管線排布復(fù)雜等諸多特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行這樣的大場(chǎng)景掃描時(shí)，往往會(huì)造成較大的累積誤差，因此建議使用掃描儀加控制網(wǎng)的方法來(lái)解決此類難題。即在掃描區(qū)域內(nèi)布設(shè)3個(gè)或3個(gè)以上的標(biāo)靶，通過(guò)全站儀取得這些標(biāo)靶的坐標(biāo)，然后通過(guò)控制網(wǎng)將所有的單站掃描結(jié)果拼接在一起，最終形成完整的掃描場(chǎng)景。

四、三維激光掃描技術(shù)在石化企業(yè)的應(yīng)用

石化企業(yè)中的設(shè)備錯(cuò)綜復(fù)雜，管道縱橫交錯(cuò)，要管理的對(duì)象在空間上密集排列，通過(guò)二維符號(hào)或線條的描述方式已顯得束手無(wú)策，而通過(guò)三維激光掃描技術(shù)可以快速、準(zhǔn)確、便捷地獲取石化裝置的實(shí)物(設(shè)備、管網(wǎng)、框架)的三維空間信息，在石化企業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。

1.裝置設(shè)備管理

在石油化工企業(yè)中，高聳的煉塔是加工化工原料、提煉各種產(chǎn)品的主要設(shè)備，是企業(yè)生產(chǎn)工作的靈魂。利用三維激光采集技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)石化企業(yè)各種設(shè)備空間信息(X，Y，Z)和屬性信息(基本參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)、檢維修參數(shù)等)的GIS動(dòng)態(tài)管理，直觀地顯示現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景、真實(shí)的空間和屬性數(shù)據(jù)，使管理人員既能直觀地觀察現(xiàn)場(chǎng)情況，又可以掌握各類屬性信息，如圖1所示。

圖1 石化裝置三維模型

(1)為操作員提供了裝置現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的空間視覺(jué)真實(shí)感受

目前操作員崗位學(xué)習(xí)僅局限在書本、圖紙資料、現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)，而增加了設(shè)備裝置的三維立體圖學(xué)習(xí)和應(yīng)用后，通過(guò)實(shí)物的三維空視圖可以更加直觀、方便、快捷地了解掌握裝置的工藝流程，從而提高了操作員崗位培訓(xùn)的實(shí)效性。

(2)為設(shè)備工程師提供了設(shè)備管理、更新維護(hù)的新思路

目前設(shè)備工程師對(duì)設(shè)備的管理和更新維護(hù)局限在圖紙資料、平面操作圖及現(xiàn)場(chǎng)查詢，而增加了設(shè)備裝置的三維立體圖的應(yīng)用后，能使設(shè)備工程師更有效地、更精確地使用和維護(hù)設(shè)備。利用裝置三維立體圖，設(shè)備工程師能夠在計(jì)算機(jī)中靈活查詢管線、反應(yīng)塔、閥門、儀器設(shè)備的形狀、數(shù)量、尺寸及分布，直至每一個(gè)彎頭的走向，并可以在計(jì)算機(jī)中完成管線、彎頭、儀器設(shè)備的更換與設(shè)計(jì)，避免了更換、設(shè)計(jì)中容易忽略的要素，使其尺寸、形狀更符合要求，大大地減小了勞動(dòng)強(qiáng)度。

(3)為安全管理員展示了一幅數(shù)字化工廠安全管理圖

利用三維立體裝置圖可以全面掌握、瀏覽安全防護(hù)設(shè)備的安放點(diǎn)，一旦確定危險(xiǎn)源或事故隱患發(fā)生險(xiǎn)情，能夠顯示危險(xiǎn)源和事故隱患點(diǎn)周邊環(huán)境，實(shí)時(shí)顯示撤離通道、消防通道、救援通道等信息，從而及時(shí)、快速、全面地掌握設(shè)備裝置的各種安全因素，提高安全管理水平。

2.管網(wǎng)系統(tǒng)管理

石化企業(yè)的管道與市政管線或其他行業(yè)廠區(qū)管線相比，具有以下特點(diǎn)。

1)管線種類繁多，特性各異。石化的物料管道按照用途可分為蒸汽、氦氣、氨氣、汽油、重油、火炬氣、乙烯等70余種，有的還有伴熱管和覆蓋層。

2)管線多在地面以上的周邊架設(shè)了各類支撐結(jié)構(gòu)。石化企業(yè)的物料管道一般都在空中架設(shè)，離地面5 m以上，沿線必須由管架、弦、橫梁、斜撐等共同伴隨支撐。

3)管線重疊覆蓋、纏繞交錯(cuò)，空間關(guān)系復(fù)雜。支撐管道的管架一般分成2～5層，在管架上架設(shè)的管道也是分層的，在某一個(gè)層次上，不同類型的管道并列排布，從俯視的角度來(lái)看，管道的平面圖是重疊的。很多管道并不是始終處在一層，而是上下轉(zhuǎn)折，在層間起伏，有的管道中途轉(zhuǎn)向，從而形成管道復(fù)雜的纏繞。

目前國(guó)內(nèi)的石化企業(yè)，對(duì)這些管架和各類線路的管理手段還停留在紙質(zhì)的圖紙和資料中，傳統(tǒng)的管理方式已完全不能滿足企業(yè)發(fā)展的需要，應(yīng)充分利用三維激光掃描技術(shù)獲取平面上重疊、高程不同的管道信息，體現(xiàn)管道在管架上的實(shí)際情況，為管網(wǎng)的精細(xì)化管理提供技術(shù)支持。

五、結(jié)束語(yǔ)

目前三維激光掃描技術(shù)在國(guó)內(nèi)石化企業(yè)的應(yīng)用尚處于起步階段。對(duì)于石化科技工作者來(lái)說(shuō)需要進(jìn)一步深入挖掘和探索適用于石化企業(yè)的三維地理信息技術(shù)方法，以帶動(dòng)相應(yīng)市場(chǎng)需求的快速發(fā)展。

(本專欄由則泰集團(tuán)和本刊編輯部共同主辦)